“材料成型数值模拟”课程智能化教学探索——以“金属板料拉深成形”为例

吴 菲，章争荣，李传强，董 勇

（广东工业大学材料与能源学院 广东 广州 510006）

“材料成型数值模拟”是材料成型及控制工程本科专业的必修课程。本科层面“材料成型过程数值模拟”教学主要以应用实例讲解为主，侧重于将材料成型过程数值模拟基础理论与实用的专业知识及专业技能有机结合，使学生能够在短时间内开阔专业视野，熟悉借助CAE方法解决实际问题的基本思路及其过程[1-5]。对于工程实践知识薄弱的学生，将材料成型专业理论与数值模拟技术理论与实践有效融合的教学模式，将有利于培养学生应用模拟技术分析和解决工程实际问题的能力。2015年以来，我国陆续出台了一系列政策措施以支持教育信息化发展，从而拓展了教育改革的新路径[6-8]。充分利用云计算、大数据、虚拟现实、人工智能等信息化新技术，有针对性地设计教学内容，优化教学手段，改革教学方法，高效利用有限的课堂时间，将有限的学时与学生课下的空闲时间有机结合，构建开放、共享、交互、协作的新型教学模式[9-10]。

1 “材料成型数值模拟”教学问题分析

本课程依托教材为傅建、肖兵编著，化学工业出版社出版，高等教育“十三五”规划教材《材料成型过程数值模拟》第二版。重点介绍数值模拟技术在金属铸造成形、冲压成形、锻压成形、焊接成形以及塑料注射成形中的应用[4]。该课程共安排40学时，其中理论34学时，软件实践16学时。前期集中进行理论知识教学，主要为应用案例数值模拟前处理、后处理及模拟结果专业分析，而后再去电脑实训室进行软件实践，实践环节放在课程后半段，滞后于理论教学。本课程共涉及金属、塑料和焊接三大类，七小类成形方法，采用6种不同数值模拟软件实验平台。理论课程展开以实际应用案例的数值模拟专业分析为主。实践学时有限，不能将每类案例都进行软件的数值模拟实践。学生没有使用模拟软件的经历，教师只是在课堂上对数值分析结果进行单纯地分析，学生不能感受模拟实践条件变化对模拟结果的影响。此外，每类数值模拟软件需经一段时间学习与练习才能完成综合实例模拟分析，在不同软件间学习、实践与切换难度大。因此，实践与理论分离式的传统教学模式不能实现教师与学生的有效互动，学生也不能进行课前与课后自主学习。有限的实践学习，并不能达到多个综合案例数值的模拟实践，不能同步用于课堂综合案例的理解与互动，弱化了实践课程对理论课程的辅助教学意义，教-学-练时空存在滞后性。

2 应用案例智能化同步的新型教学模式

我国已进入教育信息化2.0时代，针对上述“材料成型数值模拟”传统教学模式产生的问题，本文提出“材料成型数值模拟课程应用案例智能化同步教学”的新型模式，具体为：将数据库、互联网与智能化终端技术相结合，开发“材料成型数值模拟应用案例APP”，该APP包括材料成型数值模拟课程中金属铸造成形、金属冲压成形、金属锻压成形、金属焊接成形、塑料注射成形五个模块，每个模块分别由数值模拟前处理模块、后处理结果及结果专业分析模块组成。以“材料成型数值模拟应用案例APP”为载体，可以解决线下学时少的问题，将有限的学时与学生空闲时间有机结合，实现课前、课中、课后全过程有重点的同步学与练。课前，学生将“材料成型数值模拟应用案例APP”安装在智能终端（手机或电脑），选择将要学习的模块，通过模块选择引导，对前处理条件进行任意选择，在后处理模块匹配相应处理结果及专业分析，学生可利用此APP进行课前精准的自主预习；理论课堂，学生无须会某个数值模拟软件，只需在相应模块进行参数选择则可直接生成数值模拟动态结果。学生可通过手机APP与教师实现精准教学互动。学生通过模块化选择过程可感知数值模拟软件的实现过程，打破常规教学中应用案例实践滞后于理论分析、理论课堂PPT静态化教学、学生被动接受的教学模式。实践课堂，将“材料成型数值模拟APP”应用于数值模拟软件实践课程，将APP前处理、后处理及后处理结果分别与实践课程中真实数值模拟软件相对应，对应用案例实践课程起到理论指引；课后，将“材料成型数值模拟APP”应用于课后练习，学生可精准开展专业重难点复习巩固与练习。

3 新型教学模式实施

首先，建立教学案例数据库。以材料成型数值模拟教学重难点确定相应的包含软件学习和冲压成形专业知识的综合应用案例。改变传统教学中一个案例对应一种前处理条件和一种模拟结果的学习模式，对案例前处理条件进行2种或2种以上改变，获得不同前处理条件下数值模拟分析结果，采用1例多变化以阐明模拟工艺条件对冲压成形结果产生的影响。选择3-5个可将数值模拟软件与材料成型专业知识融合的应用案例，对每种案例变换3种不同的前处理条件，产生3种不同的数值模拟结果。以此为基础建立材料成型数值模拟前处理-数值模拟结果-结果专业理论分析相对应的应用案例数据库。然后以应用案例数据库为基础进行APP开发。将“材料成型数值模拟APP”分为前处理、后处理结果、后处理分析三大模块，从而实现课堂教学只需通过选择一种前处理条件，则会产生对应的后处理结果及后处理结果分析。

4 以“金属冲压拉深成形数值模拟”为例的实施方案

以“金属拉深成形”应用案例智能化APP开发为例具体阐明本改革实施思路，实施方案如图1（p125）所示。

图1 实施方案流程图

①依托教材及人才培养目标，教学大纲、目标、重点、难点，选择3个综合应用案例，且每个案例前处理条件进行3种变换。

②采用Dynaform软件对上述3个教学案例进行软件数值模拟分析，并且每个案例改变材料属性、模具间隙、摩擦系数等关键冲压成形参数形成3组不同的对比数据，对数值模拟结果从成形极限、减薄壁率、主应变、边界运动等关键后处理结果衡量参数进行成形结果分析，并将前处理条件与后处理结果及后处理结果的专业分析形成对应，并将此对应数据建立数据库资源。

③依据所建立数据库开发材料成型数值模拟应用案例APP中的金属冲压拉深成形数值模拟模块，主要为前处理模拟、后处理模块，结果分析模块。前处理模块主要包括所需要改变的前处理条件，后处理模块主要包括模拟结果所对应的成形现象分析参数，结果分析模块主要包括每一种成形现象所对应的专业理论分析。

④将材料成型数值模拟APP分享给学生进行自主预习，学生无须花时间学某个软件，可直接在APP里进行前处理组合而直接获得不同的后处理结果及相应的后处理专业分析。

⑤将材料成型数值模拟APP应用于课堂，可实现教师、学生与应用案例资源的无障碍有效沟通，无须进行具体软件实践，可实现教-学-练的同步教学模式，激发学生兴趣，更直观感受成形工艺数值模拟条件对结果的影响。

⑥将材料成型数值模拟APP应用于机房实践，可对实践课程进行指引。

⑦将材料成型数值模拟APP应用于课后练习，学生可精准开展专业重难点复习巩固与练习，感知自己感兴趣或需要重点学习的成形工艺数值模拟软件，然后确定各自需重点学习的软件类别。

5 结语

本文将“材料成型数值模拟”课程与现代数据库、互联网、智能化终端技术相结合，提出“材料成型数值模拟课程”应用案例智能化同步教-学-练新型教学模式。通过“材料成型数值模拟应用案例APP”，学生无须掌握数值模拟软件，通过智能终端同步体验数值模拟过程中不同条件带来的结果变化，即可实现教-学-练智能化同步，课堂与课下精准教学与练习，实现老师-学生-学习资源同步互动，实现数值模拟应用案例理论与实践的同步融合，抽象变为形象，被动变主动，大大增强了学生的学习兴趣，提高了学习效率，改善了教学质量。